1. Общие сведения. Фермой называется стержневая система, концы стержней которой соединены в узлах и составляют геометрически неизменяемую систему. При расчете обычно принимают, что все стержни в узлах соединены шарнирно. Нагрузка к ферме, как правило, прикладывается в узлах. В этом случае стержни ферм испытывают только осевые усилия растяжения или сжатия. Плиты шириной 1,5 м или прогоны иногда опирают на верхний пояс не только в узлах, но и между узлами; это вызывает в верхнем поясе дополнительный момент от местного изгиба, который приводит к утяжелению ферм на 4-5%, поэтому при конструировании ферм стремятся избежать внеузловой нагрузки.

Расстояние между опорами фермы называется пролетом I, а стержни, ограничивающие контур фермы сверху и снизу,- верхними и нижними поясами. Расстояние между центрами тяжести сечений поясов называется высотой. Вертикальные стержни внутри контура фермы называются стойками, а наклонные - раскосами. Стойки и раскосы вместе образуют решетку. Расстояние между соседними узлами нояса называется панелью d (10. 1).

2. Типы стропильных ферм. Стропильные фермы служат для поддержания конструкций кровли. Стропильные фермы обычно опирают на железобетонные или металлические колонны, но могут быть оперты на кирпичные стены или на подстропильные фермы (см. 10.3).

Стропильные фермы можно классифицировать по нескольким признакам: а) по конструктивному оформлению; б) по очертанию поясов; в) по типу решетки; г) по статической схеме.

По конструктивному оформлению фермы бывают: легкие - имеют в узлах одну фасонку (одностенчатые) и тяжелые - имеют в узлах два фасонных листа (двух- стенчатые). Тяжелые фермы применяют в большепролетных зданиях (ангары, авиасборочные цехи и т. д.). Далее будут рассматриваться только легкие фермы.

Выбор очертания поясов стропильных ферм зависит от размера перекрываемого пролета; нагрузки и конструкции кровли. Последнее - наиболее существенно. Материал кровли определяет уклон верхнего пояса стропильных ферм. Чаще всего в промышленном строительстве применяют фермы с параллельными поясами (при плоских кровлях) и трапециевидные (при кровлях из асбестоцементных или стальных листов), а в гражданском строительстве, кроме того, еще и треугольные.

Систем решетки существует очень много, основные виды их приведены на 10. 2. Решетки всех типов можно применять при любых очертаниях поясов. Для стропильных ферм с параллельными и трапециевидными поясами наиболее рациональна треугольная решетка с дополнительными стойками. Это объясняется тем, что длина се зигзага и число узлов меньше, чем у раскосной. Широко применяется в стропильных фермах решетка со шпренгелями, при которой исключается работа верхнего пояса на местный изгиб. Длина панели верхнего пояса d зависит от конструкции кровли. В покрытиях со стандартными железобетонными или другими илитами длина панели принята равной их ширине d = 3 м, а при кровле из асбестоцементных волнистых листов d=l,5 м. Оптимальный угол наклона раскосов около 45е. Фасонки при больших (или малых) углах получаются очень длинными, поэтому не рекомендуется проектировать раскосы (а также элементы связей) с наклоном меньше, чем 1:2 (и круче, чем 2:1). Используя шпренгели, даже высокие фермы удается конструировать так, что углы наклона их раскосов близки к оптимальному (10. 2, в).

Для стропильных ферм обычно применяют балочную разрезную схему и сравнительно редко - неразрезную н консольную. В промышленных зданиях стропильные фермы часто работают как ригели рамных систем.

В элементах треугольных ферм все закономерности обратные: усилия в поясах увеличиваются к опоре, усилия в элементах решетки к опорам уменьшаются, нисходящие раскосы сжаты, а восходящие растянуты.

В треугольных фермах с пониженным поясом усилия в поясах меняются мало, решетка работает слабо, нисходящие раскосы растянуты около опор и сжаты в середине пролета.

В параболических (сегментных) фермах усилия в поясах практически постоянны по длине пролета, а решетка от равномерной нагрузки не работает.

Для всех очертаний балочных разрезных ферм верхний пояс всегда сжат, а нижний всегда растянут. В неразрезных и консольных фермах и ригелях рамных систем в поясах около опор знаки усилий обратные (вследствие опорных моментов).

Наиболее невыгодное распределение усилий наблюдается в треугольной ферме. Поэтому ее применяют только в случаях, когда кровлю устраивают из материала, требующего крутого ската. Параболическое очертание теоретически наиболее выгодно (так как усилия в поясах постоянны). Но криволииейность верхнего пояса резко увеличивает трудоемкость изготовления, поэтому для металлических стропильных ферм это очертание применяется редко и только прй больших пролетах. Трапециевидная ферма, ферма с параллельными поясами и треугольная ферма с пониженным нижним поясом по рациональности распределения усилий в их элементах примерно равноценны.

Закономерности распределения усилий в фермах рекомендуется твердо запомнить.

4. Подстропильные фермы служат для опирания промежуточных стропильных ферм при шаге их меньше шага колонн Пролет подстропильных ферм равен шагу колонн. Эти фермы одновременно выполняют роль продольных вертикальных связей между колоннами (или стропильными фермами), поэтому их обычно проектируют с параллельными поясами. Высоту подстропильпых ферм назначают в соответствии с высотой стропильной фермы на опоре (10. 3).

5. Генеральные размеры ферм - ее пролет и высота. Пролеты ферм обычно назначаются технологами и принимаются кратными модулю 6, т. е. 24, 30, 36, 42 м и т. д. Так же, как для балок, для ферм существует оптимальная высота, при которой вес фермы будет минимальным. Но на практике высоту фермы в середине пролета принимают меньше оптимальной, чтобы ферма легко перевозилась. Обычно высоту трапециевидных ферм и ферм с параллельными поясами принимают в пределах 1/6-1/12 пролета, что позволяет разбить ферму на две (редко на три) отправочные марки, вписывающиеся в габарит (см. гл. 8, § 3, п. 6). В типовых фермах с параллельными поясами высота на опоре по обушкам уголков принята 3150 мм, а полная высота на опоре - 3300 мм для всех пролетов от 18 до 36 м. Это обеспечивает стандартность деталей креплений.

Высота треугольных ферм обычно диктуется уклоном кровли, под которую, она проектируется. Обычно ее назначают в пределах 1/2-1/4 пролета.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОДКРАНОВЫЕ БАЛКИ

Двутавровые балки (рис. 45,а, б) пролетом 6 и 12 м применяют в зда­ниях с мостовыми кранами грузо­подъемностью до 200 т. Сечение ба­лок симметричное или асимметрич­ное (с уширенным верхним поясом), вертикальная стенка сплошная, уси­ленная двухсторонними ребрами.

Высота подкрановых балок 600- 2050 мм, их изготовляют из прокат­ного металла, сварными (из сталь­ных листов или широкополочных тавров, соединенных листовой стен­кой) .

По статической работе подкра­новые балки делят на 1.разрезные,

имеющие по всей длине постоянное сечение и стыкуемые на опорах, и 2.не­разрезные, компонуемые из различ­ных сечений, со стыками, располо­женными в четверти пролета.

Вертикальную стенку неразрез­ных балок пролетом 24 м (рис. 45, в) усиливают с обеих сторон горизон­тальными ребрами.

Решетчатые балки (рис. 45,г) пролетом 18 м и более применяют при кранах грузоподъемностью 20- 30 т. Верхний пояс балки - прокат­ный или сварной двутавр, нижняя часть - треугольная решетка из уголков.

Подкраново-подстропильные фер­мы, (рис. 45, б) пролетом 36 м и бо­лее устанавливают под тяжелые кра­ны. Они одновременно служат опо­рами для стропильных ферм.

Тормозные балки и фермы (рис. 46) обеспечивают, устойчи­вость подкрановых балок и воспри­нимают тормозные усилия мостовых кранов. Их закрепляют к поясам подкрановых балок и сверху прива­ривают рифленый стальной лист,

используемый для прохода вдоль под­крановых путей. При шаге колонн 6 м верхние пояса подкрановых ба­лок связывают тормозными балками только в связевых шагах колонн.

При шаге колонн 12 м при устрой­стве проходов при кранах грузоподъ­емностью более 75 т по всей длине подкрановых балок устанавливают тормозные фермы.

При тяжелом режиме работы кранов к подкрановым балкам сред­них колонн приваривают крестовые связи (на расстоянии 3 м по обе сто­роны от опор).

Крановые пути для кранов грузо­подъемностью до 20 т устраивают из железнодорожных рельсов (рис. 47), закрепленных крюками или планками с вертикальными реб­рами.

Для кранов грузоподъемностью свыше 20 т укладывают рельсы ти­па КР-50 до КР-140, закрепляемые болтами с прижимными лапками. Концевые упоры приваривают к подкрановой балке и снабжают брусчатым амортизатором.

Типовые стальные фермы проле­том 18-36 м применяют в плоских и скатных покрытиях. Их изготовля­ют из углеродистых и низколегиро­ванных сталей.

Стропильные фермы с параллель­ными поясами (рис. 48,а) предназ­начены для устройства плоской кров­ли из железобетонных плит или стального профилированного насти­ла 1 . Шаг установки ферм 6 и 12 м.

Элементы фермы изготовляют из стальных уголков, широкополочных тавров, соединяемых в узлах элект­росваркой или высокопрочными болтами. Верхний и нижний пояс фермы имеет уклон 1,5%, что ком­пенсирует провисание конструкции в процессе эксплуатации. При крепле­нии путей подвесных кранов фермы усиливают дополнительными под­весками.

Стропильные треугольные фермы (рис. 48,6) применяют в не отапли­ваемых зданиях с кровлей из асбестоцементных волнистых листов. Шаг установки ферм 6 м. Уклон верхнего пояса 28,8%. Все элементы фермы изготовляют из стальных уголков, соединенных в узлах элект­росваркой.

Подстропильные фермы (рис. 48, в, г) применяют при шаге колонн 12 м и предназначены для опирания промежуточных стропильных ферм. Элементы фермы изготовляют из стальных уголков, тавров. Соединение элементов в узлах сварное. Раз­личают рядовые подстропильные фермы и связевые, устанавливаемые у торцовых стен.

Трубчатые стальные фермы име­ют схемы, показанные на рис. (48, а, б). Пролеты стропильных ферм 18-36 м, подстропильных 12 м. Вы­сота ферм 2,9 м.

Элементы фермы (рис. 49,6) сва­ривают встык обычно без фасонок. Фермы из труб экономичны по рас­ходу металла, менее трудоемки при изготовлении и имеют меньшую массу.

Фермы, по сравнению с балками, обладают лучшими технико-экономическими показателями:

меньшей массой;

возможностью использования межферменного пространства.

Фермы из сборного железобетона эффективны для перекрытия пролетов 18 и 24 м.

Эффективность сборных железобетонных ферм пролетами более 24 м практикой не подтверждается. При таких пролетах эффективнее стальные фермы.

В зависимости от очертания стропильные фермы подразделяют на:

сегментные;

безраскосные;

с параллельными поясами;

полигональные;

треугольные (рис. 6.2, а, д ).

Рис.6.2. Железобетонные фермы: а - сегментные; б - безраскосные; в - с параллельными поясами; г - полигональные; д - треугольные; е - подстропильные для малоуклонных кровель; ж - подстропильные для скатных кровель (в монтированном положении в покрытии).

Сегментные раскосные фермы предназначены для покрытий зданий с неагрессивной средой, а также со слабо- и среднеагрессивными газовыми средами. Их можно установить с шагом 6 и 12 м на железобетонные колонны или подстропильные фермы. К ним можно подвешивать краны грузоподъемностью от 1 до 5 т. Очертание верхнего пояса позволяет использовать для покрытия плиты шириной 3 м.

Безраскосные фермы (рис. 6.2, б ) можно применять при шаге 6 и 12 м для покрытий со скатной и малоуклонной кровлей. К ним предусмотрена подвеска кранов грузоподъемностью 1-5 т.

Фермы для малоуклонных кровель (3,3%) имеют дополнительные стойки над верхним поясом, которые служат опорами для плит размерами 3х6 и 3х12 м (рис. 6.2, б ).

Фермы с параллельными поясами и полигональные (рис. 6.2, в, г ) используют реже, так как они имеют большую высоту на опоре, что приводит к увеличению высоты стен и неполезного объема здания, а также возникает необходимость в дополнительных связях в покрытии.

Для устройства покрытий в неотапливаемых зданиях применяют треугольные формы под кровлю из асбестоцементных или металлических профилированных листов.

В местах крепления к колоннам или подстропильным фермам, опирания плит покрытия, стоек фонарей и путей подвесного транспорта в фермах предусмотрены закладные детали.

Подстропильные фермы разработаны для вариантов малоуклонных и скатных кровель (рис. 6.2, е, ж ).

На рис. 6.3 приведен пример фрагмента одноэтажного промышленного здания для пролета L = 18 м при шаге колонн внешнего ряда 6 м и шаге колонн среднего ряда 12 м. Плиты покрытия, подкрановые балки условно не показаны.

Рис. 6.3. Каркас ОПЗ с применением подстропильной фермы: 1 - колонна внешнего ряда (шаг 6 м); 2 - колонна среднего ряда (шаг 12 м); 3 - стропильная ферма пролетом 18 м; 4 - подстропильная ферма для шага колонн 12 м; 5 - стеновое ограждение (фрагмент).

4.2 Ограждающие конструкции покрытия

Ограждающая часть покрытия повержена разнообразным атмосферным (солнечная радиация, дождь, снег, ветер, низкие температуры) и эксплуатационным (высокие или низкие температуры, влажность, агрессивные среды и т.п.) воздействиям. Вследствие этого ограждающие конструкции должны обладать высокой стойкостью против этих воздействий и надежно защищать здание от преждевременного износа и разрушения. В зависимости от производственно-технического режима в здании покрытия устраивают утепленными или холодными.

Утепленные покрытия состоят из несущего слоя и теплоизоляции, защищенной паро- и гидроизоляцией (рис. 6.4, в-и ). При необходимости в утепленные конструкции вводят другие конструктивные элементы, например воздушные прослойки или отверстия для вентиляции ограждения (рис. 6.4, е, ж, з ).

Холодные покрытия состоят из несущих элементов и гидроизоляционного ковра или из элементов, объединяющих в себе несущие и гидроизоляционные функции (асбестоцементные листы) (рис. 6.4, а, б ).

Рис. 6.4. Основные виды ограждающих конструкций покрытий: а, б - холодные; в, г, д - утепленные невентилируемые; е, з - утепленные вентилируемые; ж - частично вентилируемые; и - с диффузной прослойкой; 1 - защитный слой; 2 - кровельный ковер; 3 - выравнивающий слой; 4 - железобетонный настил; 5 - асбестоцементные или металлические листы; 6 - прогон; 7 - утеплитель; 8 - пароизоляция; 9 - металлический профилированный настил; 10 - легкобетонный настил; 11 - деревянная рейка; 12 - каналы или борозды; 13 - перфорированный рубероид.

Невентилируемые ограждения устраивают над помещениями с сухим и нормальным влажностным режимом (рис. 6.4, в-д ).

Вентилируемые и частично вентилируемые ограждения устраивают над помещениями с влажным и мокрым режимом, а также в районах с продолжительным жарким периодом года (рис. 6.4, в-з ). Для большинства климатических районов площадь сечения продухов достаточна 1/2500…1/3000 от площади ската покрытия.

Для предотвращения вздутия кровельного ковра в результате испарения влаги из утеплителя в покрытиях делают диффузные прослойки, которые выполняют из перфорированного рубероида, укладываемого насухо.

В зданиях под помещениями со взрывоопасными производствами предусматривают легкосбрасываемые конструкции покрытия, масса которых не превышает 120 кг/м 2 .

Ограждающая часть покрытия может быть решена по прогонной и беспрогонной схемам.

Беспрогонная схема покрытия позволяет применять крупноразмерные плиты покрытия, на их устройство расходуется меньше металла, они менее трудоемки.

Для устройства беспрогонных покрытий используют крупноразмерные панели, которые спирают непосредственно на несущие конструкции покрытия. Длину панелей принимают равной шагу стропильных конструкций покрытия (6 и 12 м), а в ряде случаев - величине пролета здания (18 и 24 м). Ширину панелей увязывают с размерами несущей конструкции покрытия и с учетом нагрузки, действующей на покрытие. Обычно ширину панелей принимают 3 м, а доборных - 1,5 м.

Чаще всего в беспрогонных покрытиях применяют железобетонные панели, изготавливаемые из бетонов классов В22,5 - В40. Такие панели используют в качестве настила утепленных и холодных покрытий (рис. 6.5, а, б ).

Существенным недостатком покрытий с использованием таких плит является необходимость трудоемкого устройства пароизоляция, утеплителя и водоизоляционного ковра в построечных условиях.

В целях совмещения в одной плите несущих и ограждающих функций разработаны плиты из легких бетонов, а также комбинированные плиты, в которых несущие продольные ребра выполнены из тяжелого бетона, а полка плиты - из легких бетонов (рис. 6.5, в-д ).

Сократить затраты труда на устройство покрытий в построечных условиях позволяют комплексные плиты, поступающие на стройплощадку с наклеенными в заводских условиях слоями пароизоляции, утеплителя и водоизоляционного ковра (рис. 6.5, е ). Устройство покрытия в этом случае сводится к заделке стыков.

Рис.6.5 Железобетонные плиты для покрытий без прогонов: а - размером 3х6 м и 1,5х6 м; б - размером 3х12 и 1,5х12 м; в - плоская из ячеистого бетона; г - ребристая из легких бетонов; д - ребристая комбинированная из тяжелого и легкого бетона; е - комплексная панель покрытия.

Функции несущих и ограждающих элементов с уменьшенными трудозатратами на монтаже совмещены в конструкциях покрытия с плитами «на пролет». Плиты такого типа укладывают вдоль пролета (рис. 6.6, а, б ), опирая на подстропильные балки или фермы.

Рис. 6.6. Конструкции покрытия с плитами «пролет»: а - общий вид фрагмента здания с плитами типа КЖС; б - то же с плоскими плитами коробчатого сечения; 1 - основные колонны каркаса (крайние и средние); 2 - фахверковая колонна; 3 - подстропильная балка; 4 - плита КЖС размером 3х18 м с проемом 2,5х6 м для светоаэрационного фонаря; 5 - светоаэрационный фонарь шириной 6 м и покрытием из ребристых железобетонных плит; 6 - несущая балка подвесного крана.

Плиты типа КЖС размером 3х18 м (рис. 6.6, а ) имеют профиль, очерченный по квадратной параболе. С продольной стороны плита усилена ребрами - диафрагмами переменной высоты. Плиты выпускают сплошными, с проемами в полке для пропуска вентиляционных шахт и воздуховодов, а также с центральным проемом размером 6х2,5 м под светоаэрационные фонари. Плиты допускают подвеску крановых путей.

Коробчатые плиты имеют двухпустотное сечение 2000х900 мм с консольными свесами верхней полки по 500 мм (рис. 6.6, б ). Такое сечение позволяют использовать плиты в качестве воздуховодов. В нижней полке предусматривают отверстия размерами 700х700 мм с шагом 1500 мм.

Настилы имеют длину 18 м, они обеспечивают возможность крепления к ним подвесного кранового оборудования грузоподъемностью до 1 т.

Лекция №5. Стальной каркас одноэтажных промышленных зданий

.1 Стальные колонны

Стальные колонны одноэтажных зданий могут иметь постоянное по высоте сечение и переменное. В свою очередь, колонны с переменным сечением могут быть с подкрановой частью сплошного и сквозного сечения (рис. 3.1).

Сквозные колонны подразделяют на колонны с ветвями, соединенными связями, и колонны раздельные, которые состоят из независимо работающих шатровой и подкрановой ветвей (рис. 3.1, д). Колонны постоянного сечения используют при применении кранов грузоподъемностью до 20 т и высоте здания до 9,6 м.

В случаях, когда колонны в основном работают на центральное сжатие, применяют колонны сплошного сечения. Для изготовления сплошных колонн применяют широкополочный прокатный или сварной двутавр, а для сквозных колонн могут быть использованы также двутавры, швеллеры и уголки.

Раздельные колонны устраивают в зданиях с тяжелыми мостовыми кранами (125 т и более). В нижней части колонн для сопряжения с фундаментами предусматривают стальные базы (башмаки). Базы к фундаментам крепят анкерными болтами, закладываемыми в фундамент при их изготовлении. Нижнюю опорную часть колонны вместе с базой покрывают слоем бетона.

Рис. 3.1. Основные типы стальных колонн:

а - постоянного сечения, б-г - переменного сечения, д - раздельная

Рис. 3.2. Базы стальных колонн и способы опирания их на фундаменты:

а - база из стальной плиты;

б - то же, с дополнительными ребрами;

в - то же, с траверсами;

г - с траверсами из швеллеров;

д - раздельные базы ветвей колонны;

е - фундамент под стальную колонну;

ж - опирание стальной колонны на фундамент; 1 - колонна; 2 - фундаментная балка; 3 - бетонный прилив; 4 - обетонка.

.2 Стропильные и подстропильные стальные фермы

Эффективными несущими конструкциями покрытия являются стальные стропильные и подстропильные фермы (рис. 3.3). Стропильные фермы применяют для пролетов 18, 24, 30, 36 м и более при шаге 6, 12, 18 м и более.

Пояса и решетку ферм конструируют из уголков или труб и соединяют между собой сваркой с помощью фасонок из листовой стали. Сечения полок поясов, стоек и раскосов принимают по расчету.

Высоту на опоре ферм с параллельными поясами принимают 2550…3750 мм, полигональных - 2200 мм, треугольных - 450 мм.

Сопряжение ферм с колоннами в основном делают шарнирное с помощью надопорной стойки двутаврового сечения. Стойки крепят к стальным и железобетонным колоннам анкерными болтами, а пояса ферм к стойкам - черными болтами.

Рис. 3.3. Стальные стропильные фермы:

а - основные типы ферм;

б - узел опирания на колонну фермы с параллельными поясами при «нулевой» привязке;

в - то же, полигональной при привязке 250 и 500 мм;

г - то же, треугольной при «нулевой» привязке;

Надопорная стойка;

Колонна;

Ригель фахверка.

Подстропильные фермы с параллельными поясами применяются при шаге колонн 12 м для опирания промежуточных стропильных ферм. Высота подстропильных ферм по обушкам поясов составляет 3,27 м при пролете - 18м и 3,75 м - при больших пролетах. Подразделяют подстропильные фермы на рядовые и связевые.

Связевые фермы располагаются в концевых шагах температурного отсека, а в зданиях, возводимых в сейсмических районах - в местах расположения поперечных горизонтальных ферм.